À ce jour, quelques biocapteurs ont été proposés pour mesurer rapidement et facilement les caractéristiques et les propriétés des microrganismes individuels membres d'une population hétérogène, mais aucune de ces approches ne s'est avérée être adéquate pour effectuer des mesures directement sur le terrain. Les biocapteurs pour les organismes microscopiques nécessitent généralement une sensibilité ou une spécificité extrême, qui sont difficiles à combiner avec un dispositif général portatif. Cette étude propose un dispositif portatif basé sur la cytométrie de flux d'impédance qui peut détecter et quantifier le diamètre de microbilles de tailles supérieure à 50 µm directement sur le terrain, tout en présentant un faible coût, une taille réduite, une basse consommation de puissance, et une simplicité de conception et d'opération qui maximise le potentiel de l'impression 3D et de la fabrication industrielle de circuits imprimés. Un exemple est offert afin de démontrer les capacités du capteurs pour de larges échantillons, avec un jeu de données contenant 2380 microbilles détectées de tailles entre 50 µm et 90 µm. / To this day, a couple of biosensors have been proposed to quickly and easily measure the features and properties of individual microorganisms member of an heterogeneous population, but none of these approaches were adequate candidates to perform measurements directly in the field. Biosensors for micron-scale organisms generally require extreme sensitivity or specificity, which are difficult to combine with a portable general device. This study proposes a portable device based on Impedance Flow-Cytometry that can detect and quantify directly in the fields the size and velocity of microbeads of size bigger than 50 µm, while boasting a low cost, low size, low power, and simplicity of design and operation utilizing the potential of 3D-printing and industrial PCB fabrication. An example is provided for a Big Data application from a sampled dataset containing 2380 successfully detected microbeads of sizes between 50 µm and 90 µm.

Ce travail de thèse est consacré au développement de biocapteurs électrochimiques en utilisant des argiles ou des hydroxydes doubles lamellaires (HDL), riches en fer, comme matrices d'immobilisation de l'hémoglobine (Hb). Le but était de mettre en évidence la contribution des propriétés redox de ces matériaux dans l'amélioration des performances des biocapteurs par un phénomène de catalyse redox. L'hémoglobine est une métalloprotéine qui contient des porphyrines au fer (hème) comme sous-unité prosthétique. Une orientation privilégiée de cette biomolécule à la surface d'une électrode permet le transfert direct d'électrons entre le site actif de la protéine et l'électrode. Les propriétés électro-catalytiques de l'Hb immobilisée ont été étudiées pour la réduction du peroxyde d'hydrogène et ont permis la réalisation de différents biocapteurs ampérométriques. Nous avons immobilisé l'Hb dans plusieurs argiles cationiques contenant du fer : la nontronite de Garfield, des montmorillonites ferrifères synthétiques ou naturelles, ainsi qu'une montmorillonite synthétique servant de référence. Les propriétés électrochimiques de ces argiles ont été évaluées en voltammétrie cyclique et en impédancemétrie, en relation avec leurs propriétés structurales. Les isothermes d'adsorption de l'Hb dans ces argiles ont été établis montrant une forte affinité de l'Hb pour la nontronite. Nous avons montré que les argiles riches en fer octaédrique, notamment la nontronite, améliorent le transfert direct d'électrons entre l'Hb et l'électrode. L'immobilisation de l'Hb dans des HDL, de compositions différentes (MgAl et ZnAl) a été réalisée par adsorption et coprécipitation. Il faut noter que le fer situé en site octaédrique dans les HDL (MgFe) n'est pas électroactif et ne peut donc pas intervenir dans le processus électro-enzymatique. Les caractérisations physico-chimiques et morphologiques des biohybrides Hb-HDL ont été faites par plusieurs techniques, comme la DRX, IR, UV, MEB et MET, montrant une dénaturation partielle de la structure tertiaire de la protéine par la formation de liaisons hydrogènes entre la biomolécule et les feuillets hydroxylés des HDL; ce qui limite l'accessibilité de l'hème au transfert électronique direct. Outre l'immobilisation de l'Hb dans les HDL, nous avons également intercalé une métalloporphyrine chargée négativement, la FeTSPP, dans trois HDL de compositions différentes : Zn2Al, Mg2Al et Zn2Cr et nous avons réalisé la première étude électrochimique avec ces matériaux.

Thèse doctorat : Sciences et Techniques du Déchet : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 161-171.

Thèse de doctorat : sciences. Chimie : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / 27 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Chimie : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. 27 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie et physico-chimie des polymères : Le Mans : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 151-157.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie : Lyon 1 : 2004. Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie : Hanoi (Viet-Nam) : 2004. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran titre. 215 réf. bibliogr.

Le diamant dopé bore (BDD) est un matériau extrêmement prometteur pour applications biomédicales par son unique combinaison de propriétés. Cette thèse a visé le développement de nouvelles structures de micro-électrodes en BDD et l'étude de leur intérêt et leurs performances pour des applications électroanalytiques et électrophysiologiques. En dépit de leurs propriétés électroanalytiques très supérieures à d'autres matériaux d'électrodes plus conventionnels, les électrodes BDD sont sujettes au "fouling", i.e. l'apparition d'un film à la surface du diamant qui réduit la réactivité électrochimique. Ceci est très compromettant dans des milieux complexes comme l'urine, les eaux stagnantes, des boissons, le plasma sanguin etc. Ici, un nouveau traitement d'activation a été développé pour nettoyer la surface des électrodes et recouvrir leur réactivité initiale, donc il permet leur usage pour de longues périodes d'enregistrement sans dégradation du signal. Ceci permet l'usage de ce type d'électrodes, pour des domaines d'applications, pour le suivi continu d'analytes, sans entretien spécifique, en solutions complexes. La grande originalité de ces techniques d'activation est qu'elle peut être menée directement dans l'analyte lui-même. En comparaison avec leurs équivalents en macro-électrodes, les microélectrodes permettent d'obtenir de plus grandes sensibilités, des courants résiduels moindre, des pertes ohmiques moindres, et donc des rapports signal à bruit meilleurs. Un procédé robuste et fiable a été optimisé pour la fabrication de réseaux de microélectrodes (MEA MicroElectrode Arrays) et d'ultra micro-électrodes, permettant par lithographie sur 4 pouces d'offrir une large flexibilité de fabrication. Par exemple, parmi d'autres prototypes, des microélectrodes BDD ont été utilisées pour applications de biocapteurs pour quantifier l'acide urique en temps quasi-réel. Bien que le diamant possède une très bonne biocompatibilité et des propriétés électrochimiques excellentes, la faible relative capacité de double couche limite leur application pour des applications électrophysiologiques. Des procédés de nanostructuration ont ainsi été mis au point pour accroitre les limites d'injection de charge. Parmi les approches, des procédés hybrides à base de polypyrrole se sont révélés prometteurs, de même que des procédés de gravure pour former de la "nano-herbe" diamant, très intéressantes pour la fabrication de MEAs en BDD. Ces matériaux à fort rapport d'aspect apparaissent comme d'excellents candidats pour applications d'interfaces neuronales et notamment pour la fabrication d'implants rétiniens.STAR

De par le vieillissement de la population mondiale, les maladies neurodégénératives touchent de plus en plus de personnes. Ces maladies, trouvant leur siège dans la plupart des cas au sein des neurones, restent mal comprises. Dans le but d'améliorer notre connaissance des dysfonctionnements causés lors de ce type d'agression, il est indispensable de raffiner notre analyse (neurones individuels). Les dispositifs à base de nanofils (nanosondes verticales ou transistors à NF) offrent une valeur ajoutée certaine concernant l'interfaçage de dispositifs nanoélectroniques avec les cellules vivantes. En effet, leurs sections sont beaucoup plus petites que les dimensions des cellules, les rendant peu intrusifs et leur grand rapport surface/volume permet une forte interaction NF-cellule. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de co-intégrer ces deux types de capteurs passifs et actifs sur une même plateforme à l'aide d'un procédé basé sur une approche top-down, couplant des étapes de photolithographie conventionnelle et de gravure plasma. Afin de tirer parti de la dimension de ces capteurs, particulièrement adaptée à l'interfaçage de cellules individuelles, une approche innovante de fabrication de réseaux organisés de neurones par fonctionnalisation chimique de surface sera présentée. Basée sur l'auto-alignement de molécules d'adhésion grâce à un fort contraste hydrophile/hydrophobe de la surface de l'échantillon, elle permet de contrôler très précisément la localisation spatiale des somas et de guider la croissance des prolongements. De larges réseaux organisés de neurones ont ainsi pu être réalisés, avec un taux élevé de somas individuels (74% des sites occupés). La croissance des prolongements est également maîtrisée à l'échelle sub-micronique. Couplée aux dispositifs d'enregistrement présentés précédemment (nano-sondes passives et transistors à NF), cette maîtrise de la croissance des neurones ouvre de nombreuses perspectives pour le suivi multi-site de l'activité électrique au sein d'une culture neuronale. La chaîne d'acquisition nécessaire au transport de l'information enregistrée depuis le capteur (échelle nanométrique) jusqu'à la visualisation des signaux sera ensuite présentée. Des cultures de neurones ont été réalisées sur cette plateforme et une activité électrique spontanée (PAs et LFPs) a pu être enregistrée après 9DIV par les nanosondes passives. Ces résultats restent à ce jour, inédits avec de tels dispositifs passifs à nanofils sur des neurones de rongeurs. Plusieurs stimulations chimiques (dépolarisation KCl et potentialisation bicuculline) ont également été effectuées, permettant de valider le fonctionnement des transistors et de comparer les deux approches (passive et active). Le caractère multi-sites des enregistrements à l'aide des nanosondes a aussi été mis en évidence. Enfin, des stimulations électriques localisées à l'aide des nanosondes verticales ont été réalisées et des LFPs provenant de l'excitation des neurones voisins du capteur ont pu être enregistrés, démontrant ainsi la bidirectionnalité de l'interaction. / Due to constant aging of world population, the struggle against neurodegenerative diseases is one of the major challenges in the near future and a better understanding of these pathologies goes through an improvement of basic mechanism knowledge involved in neuronal networks. In that scope, miniaturization of electronic components opens new perspectives for addressing such issues and holds great promise to improve the resolution levels. 1D-nanostructures such as NW-FET or NW-probes, offer real benefits thanks to their very small sections allowing to be less intrusive combined with their high surface-to-volume ratio leading to a higher affinity with cells. Here, we propose to co-integrate passive and active devices based on 1D nanostructures on the same platform (vertical NW probes and NW-FETs), to accurately compare advantages and drawbacks of each configuration regarding neuron electrical activity measurement. The two NW devices are fabricated with a large scale and cost effective top-down approach combining conventional lithography tools, plasma etching and sacrificial oxidation step to tune the nanostructure geometry. A core-shell-type device has been developed with a conductive part at the center, encapsulated by a conformal silicon oxide to insulate the probing nanostructures from liquid. In parallel, silicon NW-FETs are created with a planar NW channel (50 nm) connected by two highly doped low resistive regions. The device operation has been characterized in liquid environment (interface impedance of passive probes and pH sensing for transistors). Primary rat cortical neuronal cultures have been grown in-vitro with an unprecedented surface functionalization approach to precisely locate single neurons and guide the growth of their extensions. The approach allows the perfect location of somas on devices and the control of neurite growth at sub-micrometer scale. After 10 days-in-vitro, we detected for the first time spontaneous mammalian neuron action potentials using passive vertical NW-probes. Thereafter, several kinds of stimulation protocols have been implemented: (i) at the network level, with chemical stimulations such as KCl depolarization to mimic epileptic synchronization or with more refined stimulation (bicuculline). Local field potentials from few somas and action potentials from single neurons have been successfully recorded with a maximal signal-to-noise ratio of 10 for transistors compared to 40 for passive probes. (ii) At the cell level, where bi-directionality of passive probes have been used to locally trigger neuronal activity under electrical stimulation. Finally, multi-site recordings with vertical probes have been used to compare extra and intracellular probing.

La détection précoce de biomarqueurs de maladies telles que le cancer représente un intérêt majeur dans le processus de traitement. En effet, un diagnostic avancé augmente considérablement les chances de réussite du traitement. En pratique, cela nécessite des outils permettant de détecter rapidement d'infimes quantités de composants biologiques (anticorps, protéines, ADN...) au sein d'échantillons réels tels que du sang ou du sérum.Ces dernières années, les avancées et progrès technologiques en matière de micro et nanofabrication ont permis le développement des Micro et Nano Systèmes Electro-Mécaniques (M/NEMS) dans de nombreux domaines d'application et notamment celui de la détection de masse. Ainsi, des nano-capteurs de masse atteignant des résolutions de l'ordre du yoctogram ($10^{-24}g$), soit la masse d'un seul proton ont été développés. De telles résolutions permettraient d'utiliser ces capteurs à des fins de biodétection. Ces résultats ont cependant été obtenus sous vide ce qui est incompatible avec le monde biologique. Immergés en liquide, les performances des M/NEMS traditionnels sont drastiquement réduites notamment à cause de l'amortissement du au fluide. Un nouveau type de résonateur à base de microdisques optomécaniques résonants a ainsi vu le jour démontrant un fort potentiel pour la détection en milieu liquide. Là où les méthodes classiques de transduction électriques des M/NEMS éprouvent des difficultés en liquide, l'exceptionnelle sensibilité de la transduction optomécanique permet de surmonter ce problème.Dans ce cadre, ces travaux de thèse visent à développer un biocapteur à base de microdisques optomécaniques résonants en silicium pour la détection biologique en milieu liquide. Le design, la fabrication ainsi que la caractérisation complète de ces capteurs est décrite. Enfin, une preuve de concept de détection de virus T5 à une concentration de quelques pM à l'aide de ces microdisques est également présentée. / Early detection of disease's biomarkers such as cancer represents a major interest in the treatment process. Indeed, a diagnosis at an early stage considerably increases the chance of the treatment to be successful. Practically, tools allowing the rapid detection of tiny amount of biological compounds (antibodies, proteins, DNA...) in real samples such as blood or serum are needed.Over the last years, the advances and progresses of micro and nanofabrication techniques have allowed the development of Micro-Nano Electro Mechanical Systems (M/NEMS) in various fields of application including mass sensing. Thus, nano mass sensors reaching resolution down to the yoctogram level, the equivalent of a single proton have been demonstrated. Such resolution limit would theoretically allow these sensors to be used as potential biosensors. These results were nonetheless obtained in vacuum conditions which is incompatible with the biological world. Immersed in fluid, the performance of traditional M/NEMS are drastically degraded mostly due to the large viscous damping. A new type of object in the form of optomechanical microdisk resonators have recently emerged, demonstrating a huge potential for sensing in liquid. While M/NEMS classical electrical or optical transduction methods become very challenging in liquid, the astonishing sensitivity of the optomechanical transduction overcomes this major issue.In this context, this thesis work aims at developing a biosensor based on silicon optomechanical microdisk resonators for biosensing in liquid. Design, fabrication along with the complete characterization of theses devices is described. Eventually, a proof-of-concept of T5 virus detection at the pM level using these microdisks is presented.